第14章杂环化合物方案
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有机化学课件第十四章杂环化合物ppt文档
单杂环 多杂环
五元环 六元环 五元环 六元环
N
O
S
H
N
o
N
N H
N N
稠杂环 N H
N
N
N
NN
H
五元单杂环
五元双杂环
N
N 咪H唑
N 吡H咯
O 呋喃
N N 吡H唑
五元稠杂环
N 吲哚 H
O 苯并呋喃
S 噻吩 N
S 噻唑
N O 噁唑
N
N H 苯并咪唑
六元单杂环
N 吡啶
O 吡喃
六元双杂环
N N
哒嗪
六元稠杂环
第二节 五元杂环化合物（P200)
一、吡咯、呋喃和噻吩的结构和性质
（一）吡咯的酸碱性
＋ KOH
N H
pKb: 13.6
N ＋ H2O
K+
（二）吡咯、呋喃和噻吩的亲电取代反应
乙醚 Br—
—Br
＋ Br2
N
Br— —Br N
H
H
问题：为什么吡咯、呋喃和噻吩的稳定性比苯小， 且苯＞噻吩＞吡咯＞呋喃？
4
N
3 2
d
N N
a
Nc
1
b
吡嗪并[3，2-d]哒嗪
43N 4 c N3
52
CI
6d
N5 Sa H1 1
b
2
CH2OH
2-羟甲基-5-氯-咪唑并[4,5-d]噻唑
4
5
1
N
c
3
6
C6H5
2b
N
3
aS
1
2
7
6-苯基-2,3,5,6-四氢咪唑并[2,1-b]噻唑
第十四章杂环化合物
C O O OCH3
CH3
CH3
R'=(CH3)2CHCH2CH2(CH2CHCH2CH2)CH2C=C CH2
O S H3C N H O O CH3
R
OH H3C H3C CH3 CH3 OH O
Epothilone A(R=H)； B(R=CH3)
1993年发现的一种高效抗癌物质
14.1 杂环的分类和命名 14.1.1 分类
o
Br
Br2
Br +
Br
（c ）卤化
N
300 C
o
N
N
（d）还原 吡啶可被催化加氢为六氢吡啶（哌 啶）。六氢吡啶的碱性（PKb=2.7）与一般脂肪族 仲胺相近。
+ 3H2 N Ni 180C
o
N H
5 、 吡啶环上的亲核取代
NaNH2 N
N H2O NHNa
N
NH2
C6H5Li N
N C6H5
吡啶2-和4-位上甲基具有酸性（类羟醛缩合）。
路易斯酸
SO3 N CH2Cl2,室温 N
SO3 N
SO3
N SO3 HCl O ClCH2CH2Cl,1000C O SO3 N H O SO3H (41%)
吡啶是良好的亲核试剂，与卤代烷、酰卤等反应 形成吡啶盐，都是很好的固体，有芳香性（反应时并 未破坏它的环状封闭共轭体系），是活性强而温和的 硝化、磺化、烷基化或酰基化试剂。
2 1
N
5
3 4
9 8
N
7
1,3,5-三嗪 1,3,5-triazine
酞嗪 Phthalazine
6
1,10-菲咯啉
1,10phenanthroline
第14章杂环化合物
+N N N H
SO3H
NN N H
SO3H
呋喃和噻吩不能偶联，说明吡咯环电子密度高。
（三）吡咯的重要衍生物(P.306)
与生命有着密切关系的两大色素：叶绿素和血红 素，以及维生素B12都含有卟吩环。
NH N N HN
卟吩(porphine)
卟吩(porphine)是由4个吡咯环的α碳原子通过次甲基 （-CH=）相连而成的复杂的共轭体系，成环的原子 共平面，有26个π电子，符合4n+2的规则，有芳香性， 其取代物则称为卟啉（porphyrin）。
O 1 CH3
2-甲基呋喃 （α -甲基呋喃） (2-methylfuran)
N S CH3
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
H3C N
N H
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
3. 稠杂环的命名
对于稠杂环则有固定的编号顺序，通常是从一端开始，
依次编号，公用的碳原子一般不编号，并尽可能使杂原
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构 结构特点：
杂原子上的孤对电子，参与闭合的共轭体系。 π电子数为6，具有一定的芳香性，芳香性比 苯差。
芳香性： 苯> 噻吩 > 吡咯 > 呋喃 共振能： 150.6 121.3 87.8 66.9 （kJ·mol-1）
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
N
S 噻吩
N
N H 咪唑
HC
N3 C H
N1 H
C H
S和仲N原子上的孤对电子处于P轨道，参与共轭; 叔N原子的孤电子对处于SP2杂化轨道，未参与共轭。
水溶性比相应单杂环高。
第十四章芳香杂环化合物(药学、临药)
3
本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包 括杂原子在内的环是平面型，环内有 4n+2 个 p 电子 处于环闭共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。
N O
呋喃
N N N
嘧啶
N N N H
O O O
杂脂环
S
噻唑
N H
嘌呤
其它不具芳香性的杂环化合物，统称为 非芳香杂环化合物或杂脂环化合物。
上页 下页 首页
N
N
N
Br2 300 oC
Br N
b-溴吡啶 b-吡啶磺酸 b-硝基吡啶
上页 下页 首页
H2SO4, SO3 230 oC, 24 h
KNO3 + H2SO4 Fe, 300 oC
SO3H N
NO2 N
25
亲核取代比苯容易，主要发生在α, γ位上。
＋ NaNH2 N
100℃
H2O
N
NHNa
N
NH2
HCl
Z SO3 ( Z = NH、O ) Z
Z SO3H 噻吩可直接用 H2SO4 磺化。
CO CH 3
（三）吡咯衍生物
吡咯衍生物在自然界分布很广，植物中的叶绿素和动物 中的血红素都是吡咯衍生物。它们都具有重要的生理活性。
H2C=HC CH3
N N
N HN NH N
H3C
CH=CH2
Fe H3C HO2CCH2CH2C
Ph
6
5
4
N N
7
3 1 2
S
5-苯基咪唑并[2，1-b]噻唑
1
N
N H
1‘
7H-吡啶并[4，3-c]咔唑
尼群地平
2,6-二甲基-4-(3-硝基苯基)-1,4-二氢-3,5-吡啶二甲酸甲乙酯
本章讨论的杂环化合物主要指环系较稳定，包 括杂原子在内的环是平面型，环内有 4n+2 个 p 电子 处于环闭共轭体系中，统称为芳(香)杂环化合物。
N O
呋喃
N N N
嘧啶
N N N H
O O O
杂脂环
S
噻唑
N H
嘌呤
其它不具芳香性的杂环化合物，统称为 非芳香杂环化合物或杂脂环化合物。
上页 下页 首页
N
N
N
Br2 300 oC
Br N
b-溴吡啶 b-吡啶磺酸 b-硝基吡啶
上页 下页 首页
H2SO4, SO3 230 oC, 24 h
KNO3 + H2SO4 Fe, 300 oC
SO3H N
NO2 N
25
亲核取代比苯容易，主要发生在α, γ位上。
＋ NaNH2 N
100℃
H2O
N
NHNa
N
NH2
HCl
Z SO3 ( Z = NH、O ) Z
Z SO3H 噻吩可直接用 H2SO4 磺化。
CO CH 3
（三）吡咯衍生物
吡咯衍生物在自然界分布很广，植物中的叶绿素和动物 中的血红素都是吡咯衍生物。它们都具有重要的生理活性。
H2C=HC CH3
N N
N HN NH N
H3C
CH=CH2
Fe H3C HO2CCH2CH2C
Ph
6
5
4
N N
7
3 1 2
S
5-苯基咪唑并[2，1-b]噻唑
1
N
N H
1‘
7H-吡啶并[4，3-c]咔唑
尼群地平
2,6-二甲基-4-(3-硝基苯基)-1,4-二氢-3,5-吡啶二甲酸甲乙酯
第十四章杂环化合物
1 五员芳杂化合物的亲电取代反应
取代位置
E
+
E
+
A
A
E
A
a-取代 主要产物 反应相对活性
b-取 代
>
N H O
>
S
>
5 109 1
3
1018
6
1011
对取代位置的解释（分析反应中间体的相对稳定性）
i. 取代在a位
E+ A a取代 A E A E A
中间体较稳定
H E
贡献最大
H
（满足八隅体）
主要产物（例外）
Br HNO3 / Ac2O S S
Br
NO2
b位给电子基
COOH
Br2 CH3COOH Br S
COOH
S
b位吸电子基
从中间体稳定性分析取代基对反应取向的影响
(i) a 位有给电子基
E E
4 5 3
+
E G G
进入3位
A A
• 二个共振式 • 推电子基使 稳定
A
G E+ E+
较稳定
进入4位
E G
E A G
进入5位
A
• 二个共振式 • 推电子基未 起作用
不稳定 • 三个共振式 • 推电子基使 稳定
E
A
G
E
A
G
E
A
G
最稳定
(ii) a 位有吸电子基
E 4 5 3 E
E 进入3位
+
A A W
W
A
W
• 二个共振式 • 吸电子基使 不稳定
不稳定
E+ E
第十四章芳香杂环化合物
环化合物。如果N4上的氢原子被其他基团取代时，将降低 甚至丧失其抗菌作用。但如果N4 上的取代基在体内能被 分解而恢复原来的游离氨基时，则仍具有原来的抑菌作用。
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
磺胺的抑菌作用是由于其结构与细菌生长所必须的对氨基
苯甲酸（PAPB）的结构极为相似，能产生竞争性拮抗， 干扰细菌的酶系统对PAPB的利用。
临床上使用的药物：
N
N
发烟 H2SO4
250oC
N
NO2
亲电取代发生在 SO3H β位。
齐齐巴宾反应
亲核取代发生 在α位。 当α位上有易离 去基团时，与 较弱的亲核试 剂就能发生亲 核取代反应
（4）、吡啶类化合物侧链氧化反应 氧化难、还原易（抗氧化性比苯强）
N KMnO4 HOOC
N
N HNO3
COOH NH3
N
全饱和时可不标明位置。例如：
N H
N H
O
1,2,3,4-四氢喹啉 2,5-二氢吡咯 四氢呋喃
含活泼氢的杂环化合物及其衍生物,可能存在着互变异 构体,命名时需按上述标氢的方式标明之。例如：
N
N
H
N
N
N
N H
NN
9H-嘌呤
7H-嘌呤
第二节、芳香五元杂环化合物
一、吡咯、呋喃和噻吩 1、结构与芳香性
sp2
O
H2N
N SO2NH
N
磺 胺 嘧 啶 （ SD）
F HN
5-氟 尿 嘧 啶
O
N H
（ 5-FU）
抗肿瘤药
第四节 稠杂环化合物
嘌呤及衍生物
嘌呤 两个互变异构体的平衡体系
6
1N
5
7
N
2
98
第十四章 杂环化合物(已修改)
7,没有固定名称的稠杂环命名(自学) ,没有固定名称的稠杂环命名(自学)
21
第二节 五元杂环化合物
Pentheterocycles
22
一,呋喃,噻吩,吡咯 呋喃,噻吩, ) (Furan, Thiophene and pyrrole)
(一) 结构
电子离域的结果使环上 各C原子的电子云密度增大 原子的电子云密度增大 ),这类杂环称 (6/5),这类杂环称"多π" ),这类杂环称" 芳杂环. 芳杂环.它们的亲电取代 比苯容易. 比苯容易.
H N 1H-吡咯 N 2H-吡咯 O O
2H-吡喃
4H-吡喃
15
4,若杂环不含有最多数目的非聚集双键, ,若杂环不含有最多数目的非聚集双键, 这样的饱和H称为"外加氢" 命名时, 这样的饱和 称为"外加氢".命名时, 称为 需标明外加氢的位置和数目, 需标明外加氢的位置和数目,全饱和的 可省略位置, 可省略位置,例:
5
本章着重讨论的杂环化合物, 本章着重讨论的杂环化合物,其环系较稳定并 具有一定程度的芳香性, 具有一定程度的芳香性,把它们统称为芳(香)杂环 其它不具有芳香性的杂环化合物, 化合物.其它不具有芳香性的杂环化合物,统称非 芳香杂环化合物(或称杂脂环化合物) 芳香杂环化合物(或称杂脂环化合物).
芳香性:平面环, 个电子, ※ 芳香性:平面环,4n+2个电子,难氧化 个电子 而易取代. 而易取代.
4
O
O
O
N H
O
杂环化合物种类繁多,数量庞大, 杂环化合物种类繁多,数量庞大,在自然界分 布极为广泛,大多数的生物碱为杂环化合物, 布极为广泛,大多数的生物碱为杂环化合物,植 物中的叶绿素,动物中的血红蛋白等,中心结构 物中的叶绿素,动物中的血红蛋白等, 都为杂环, 都为杂环,作为生命基础物质的核酸基本组成单 碱基也为杂环碱. 位—碱基也为杂环碱.在现代药物中,杂环化合 碱基也为杂环碱 在现代药物中, 物占了相当大的比重, 物占了相当大的比重,现在已成为一门独立的学 杂环有机化学. 科—杂环有机化学. 杂环有机化学
第十四章芳香杂环化合物
键长：
0.144 nm 0.1354 0.1371 0.1352 0.1455 nm 0.1371 0.1429 nm
O
0.1718
S
0.1383
N H
饱和化合物
C C O: 0.143 nm C: 0.154 nm C N: 0.147 nm C S: 0.182 nm
C=C: 0.134 nm
NH3 Cl
+
Cl+
N CH3 N
嘧啶环
C N H2 s
C CH3 CH2CH2OH
噻唑环
N
维 素 1 生 B
5
s
2
1
噻唑为无色有吡啶气味的液 体，b.p. 117oC, 与水混溶. 环上的 氮原子有碱性, 化学性质稳定，不 易发生亲电取代反应。
N CO 青霉素G中四元环内酰胺很不 HOOC 稳定，对酸、碱都很敏感，特 CH3 CH-NH-CO-CHC6H5 别容易被酸水解。口服后在胃 2 CH3 s 中水解，β内酰胺的四元环打 氢化噻唑环 开而失效，现口服青霉素就是 青 素 霉 G 将其中-CH2C6H5换为
吡啶又称氮杂苯。最初由干馏动物的骨骼得到，其衍生物 广泛存于自然界，例维生素PP、维生素B6。辅酶Ⅰ及辅酶Ⅱ 也含有吡啶环。工业上从煤焦油提取吡啶和甲基吡啶。一些 生物碱中常含有吡啶或氢化吡啶环。
CO2CH3
N N CH3 N N CH3
NCH3
OCOC6H5
烟碱
新烟碱
古柯碱(可卡因)
吡啶的重要衍生物有维生素、异烟肼（抗结核药物）等。
第十四章 芳香杂环化合物和维生素
Ａromatic ｈeterocycles and vitamin
第14章杂环化合物
43
5 12
S
NH2
5 43 61 2
N
CH3
Br
Br
' 43
5 12
Br ' N
Br
H
2-氨基噻吩 3-甲基吡啶 (氨基噻吩) (甲基吡啶)
2,3,4,5-四溴吡咯 (,,,-四溴吡咯)
2.环上有两个或两个以上相同的杂原子时，应 使杂原子位次之和最小，并将连有氢原子或取 代基的杂原子编号定为1。如环上有不同杂原子 时，按O、S、-NH-和-N=的顺序编号。
sp2杂化轨道上，伸向环平面外侧，未参与
共轭，可结合质子，因此吡啶具有弱碱性。
H
H
H
N
H
H
吡啶的分子轨道示意图
d+
d-
d-
d+ N
d+
d-
电子云的 交替极化
吡啶环上电子云密度的分布不平均，氮原 子上的电子云密度较大，碳原子的电子云 密度较低，尤其是氮原子邻位、对位的电 子云密度降低得比间位多，所以吡啶的亲 电取代反应比苯难，并且主要发生在间位 （即位）上。像吡啶这类环碳上的电 子云密度比苯低的芳杂环亦称为“缺” 芳杂环。吡啶是一个极性分子；氮原子的 诱导效应和共轭效应的方向一致。
3.尿酸(urate)：2，6，8-三氧嘌呤称为尿 酸
O HN ON
H
NH NO H
OH
N
N
HO N
N OH H
2，6，8-三氧嘌呤（酮型） 2,6,8-trioxypurine
2，6，8-三羟基嘌呤（烯醇型） 2,6,8-trihydroxypurine
第二节 维生素
维生素是维持人体正常代谢机能不可缺少的微 量有机化合物. 脂溶性维生素: 维生素A、D、K、E 水溶性维生素: B族 维生素，维生素C，维生 素P等
第十四章 杂环化合物
1993年被发现的一种高效抗癌物质
在环状化合物中，构成环的原子除了碳原子外还 有其他原子的，这种环状化合物称为杂环化合物。组 成杂环的原子除碳原子外都叫做杂原子。最常见的杂 原子有氮、氧、硫。 前面一些章节中学习过的一些化合物虽然含有杂 原子组成的杂环，但是由于其性质与其相应的链状化 合物类似，因此在有关章节中，不在这里学习。 O
无特定名称稠杂环命名时，先将稠合环分为 两个环系，一个环系作为基本环，另一个作 为附加环，命名时附加环名称置前，基本环 名称置后，中间用“并”字相连。
S
N H
噻吩并[2,3-b]吡咯
第二节 杂环化合物的命名
二、无特定名称稠杂环母环的命名原则
2. 基本环的确定
(1) 以含氮杂环为母体，仍有选择余地，选择环 数较多，且有特定名称的芳环为基本环；
O
a
3
4
b c
3
b c
2
5
S1
噻吩并[2,3-b]呋喃
噻吩并[3,2-b]呋喃
第二节 杂环化合物的命名
二、无特定名称稠杂环母环的命名原则
3. 稠合位置的表示
c
3
2
b a
N
d f e
4 1
N
5
吡咯并[1,2-a]吡嗪
第二节 杂环化合物的命名
二、无特定名称稠杂环母环的命名原则
4. 稠杂环体系的周边编号
N H
O
S
第三节 杂环化合物结构与芳香性
N O
噁唑
N S
噻唑
N
N
N H
咪唑
N H
吡唑
第三节 杂环化合物结构与芳香性
N
N H
N N
嘌呤
第十四章 杂环化合物
异噁唑 isoxazole
(2) 含两个杂原子的五元单杂环
噻唑 thiazole
异噻唑 isothiazole
(2) 含两个杂原子的五元单杂环 Ø 母核确定后，编号从杂原子开始，选择杂原子顺 序为：
-O- > -S- > -NH- > -N=
Ø 同时使其他杂原子编号位次尽可能小; Ø 在此基础上，若有取代基，使其位次尽可能小。
吡啶-4-甲酸 2-甲基吡啶 2-methylpyridine pyridine-4-carboxylic acid γ-吡啶甲酸 γ-pyridinecarboxylic acid
(4) 含两个杂原子的六元单杂环
哒嗪 pyridazime
嘧啶 pyrimidine
吡嗪 pyrazine
(4) 含两个杂原子的六元单杂环 Ø 例：
N H
5、根据杂环中碳原子电子云密度： 富π电子杂芳环和缺π电子杂芳环 Ø 五元杂芳环富电子 Ø 六元含氮杂芳环缺电子
N
吡啶
O
呋喃
（二）杂环化合物的命名 命名原则： 按IUPAC命名原则规定，保留特定45个杂环化合物的 俗名和半俗名并作为命名的基础。以此原则为准，我 国多采用“音译法”，即按英文名称的读音，选用同 音口字旁的汉字（“口”字旁表示为杂环），对杂环 化合物进行命名。 注意：命名时需要记住母环名称，编号时不同的母环 有不同的编号方法。
Ø 具有生物活性的杂环骨架化合物：
一、杂环化合物的分类和命名 （一）杂环化合物的分类 1、根据环的大小： 五元杂环和六元杂环
N
吡啶
O
呋喃
2、根据环中所含杂原子种类：N、O、S
O
呋喃
N H
吡咯
杂环化合物
第14章杂环化合物杂环化合物是由碳原子和非碳原子共同组成环状骨架结构的一类化合物。
这些非碳原子统称为杂原子，常见的杂原子为氮、氧、硫等。
前面已经学过的内酯、内酰胺、环醚等化合物都是杂环化合物，但是这些化合物的性质与同类的开链化合物类似，因此都并入相应的章节中讨论。
本章将主要讨论的是环系比较稳定、具有一定程度芳香性的杂环化合物，即芳杂环化合物。
杂环化合物的种类繁多，数量庞大，在自然界分布极为广泛，许多天然杂环化合物在动、植物体内起着重要的生理作用。
例如：植物中的叶绿素、动物血液中的血红素、中草药中的有效成分生物碱及部分苷类、部分抗生素和维生素、组成蛋白质的某些氨基酸和核苷酸的碱基等都含有杂环的结构。
在现有的药物中，含杂环结构的约占半数。
因此，杂环化合物在有机化合物（尤其是有机药物）中占有重要地位。
第一节分类和命名一、杂环化合物的分类芳杂环化合物可以按照环的大小分为五元杂环和六元杂环两大类；也可按杂原子的数目分为含一个、两个和多个杂原子的杂环，还可以按环的多少分为单杂环和稠杂环等。
见表14-1。
表14-1 有特定名称的杂环的分类、名称和标位二、杂环化合物的命名杂环化合物的命名比较复杂。
现广泛应用的是按IUPAC（1979）命名原则规定，保留特定的45个杂环化合物的俗名和半俗名，并以此为命名的基础。
我国采用“音译法”，按照英文名称的读音，选用同音汉字加“口”旁组成音译名，其中“口”代表环的结构。
见表14-1。
（二）杂环母环的编号规则当杂环上连有取代基时，为了标明取代基的位置，必须将杂环母体编号。
杂环母体的编号原则是：1．含一个杂原子的杂环含一个杂原子的杂环从杂原子开始编号。
见表14-1中吡咯、吡啶等编号。
2．含两个或多个杂原子的杂环含两个或多个杂原子的杂环编号时应使杂原子位次尽可能小，并按O、S、NH、N 的优先顺序决定优先的杂原子，见表14-1中咪唑、噻唑的编号。
3．有特定名称的稠杂环的编号有其特定的顺序有特定名称的稠杂环的编号有几种情况。
第十四章杂环化合物与生物碱
25 1
N H
54
β
3
5 6
6 7
12 α
7 8
N
H
γ
43 β
5
6 12 α N
γ
43β
2
1α N
N
6 1
5
23 4
N
N
7
8 9
N H
第十四章 杂环化合物和生物碱
第一节 杂环化合物 目录△
（三）杂环化合物的命名
O2N S
2 - 硝基噻吩 α - 硝基噻吩
CH3
N 4 - 甲基吡啶 β - 甲基吡啶
2. 系统命名法
系统命名法是在碳环名称前加上杂原子的名称，称为：×杂×× 例如：吡啶的系统名称为：氮杂苯 or 氮苯
（二）杂环母核的编号规则
1. 单个杂原子杂环 2. 多个杂原子杂环 3. 苯稠杂环 4. 稠杂环
第十四章 杂环化合物和生物碱 第一节 杂环化合物 目录△
β4 3β α 51 2α
O
N3 4
4
C H2C H3
Mg
CH3 H
8
N
N 5 CH3
7
6
H2C
H H
O
H 2C C O O C H 3 叶绿醇基
OC O
叶绿素
R= C H3 R= C HO
C6H5
S N
5 - 苯基噻唑
N OH 8 - 羟基喹啉
Br
N
N
H2N
N
N NH2 H
2 , 6 - 二氨基 - 6 - 溴嘌呤
N
N
CH3
β -[2-（N-甲基吡咯烷基）]吡啶
第十四章 杂环化合物和生物碱 第一节 杂环化合物 目录△
N H
54
β
3
5 6
6 7
12 α
7 8
N
H
γ
43 β
5
6 12 α N
γ
43β
2
1α N
N
6 1
5
23 4
N
N
7
8 9
N H
第十四章 杂环化合物和生物碱
第一节 杂环化合物 目录△
（三）杂环化合物的命名
O2N S
2 - 硝基噻吩 α - 硝基噻吩
CH3
N 4 - 甲基吡啶 β - 甲基吡啶
2. 系统命名法
系统命名法是在碳环名称前加上杂原子的名称，称为：×杂×× 例如：吡啶的系统名称为：氮杂苯 or 氮苯
（二）杂环母核的编号规则
1. 单个杂原子杂环 2. 多个杂原子杂环 3. 苯稠杂环 4. 稠杂环
第十四章 杂环化合物和生物碱 第一节 杂环化合物 目录△
β4 3β α 51 2α
O
N3 4
4
C H2C H3
Mg
CH3 H
8
N
N 5 CH3
7
6
H2C
H H
O
H 2C C O O C H 3 叶绿醇基
OC O
叶绿素
R= C H3 R= C HO
C6H5
S N
5 - 苯基噻唑
N OH 8 - 羟基喹啉
Br
N
N
H2N
N
N NH2 H
2 , 6 - 二氨基 - 6 - 溴嘌呤
N
N
CH3
β -[2-（N-甲基吡咯烷基）]吡啶
第十四章 杂环化合物和生物碱 第一节 杂环化合物 目录△
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单杂环 五元杂环、六元杂环。
稠杂环 苯环和杂环稠合、杂环和杂环稠合。
（二）杂环化合物的分类和命名
1.基本杂环结构
五
五元
一
元杂
4
3 (β ) 4
3(β ) 4
3 (β )
5
2 (α )
O1
5
2 (α )
S1
5
2 (α )
N1
H
呋喃
噻吩
吡咯
(furan) (thiophene) (pyrrole)
杂五
其中以吡啶和嘧啶最为重要
1.基本杂环结构 稠杂环（苯环与杂环稠合）
5 6
7 8
4
3 2
N
1
喹啉 (quinoline)
5 6
7 8
4 3
N2 1
异喹啉 (isoquinoline)
4 5
6 7
3 2 N1
H
吲哚 (indole)
1. 基本杂环结构
杂环与杂环的稠合：
6
1N 5 24
N
3
N7
8 N9
子的编号较小如喹啉、异喹啉和吲哚。值得注意的是嘌 呤，不仅公用碳参与编号，而且编号的顺序很特殊。
5 6
C H3
4 3
7 8
N2
1
C H3
11,,44--二二甲甲基基异异喹喹啉啉
NH2
6
1N
5
N7
4 2
8
N
N
3
9
H
6-氨基嘌呤
6-氨基（嘌腺呤嘌（呤腺）嘌呤，A）
(1,4-dimethylisoquinoline) (6-aminopurine, adenine)
元
环二
杂
4 N3
5
2
S1
噻唑
4
3
5 N2 N1
H
吡唑
4 N3
5
2
N1
H
咪唑
(thiazole) (pyrazole) (imidazole)
1. 基本杂环结构
六元杂环：
4
4
5
35
3
6
26
N2
N
N
1
1
4
4
4
5
N3 5 N 3 5
3
6
26
26
2
N
N
O
1
1
1
吡啶
哒嗪
嘧啶
吡嗪
吡喃
(pyridine) (pyridazine) (pyrimidine) (pyrazine) (pyran)
氮 咪 唑 和 嘧 啶
H
H
吲哚
喹啉
嘌呤
嘧（啶）咪（唑）稠合是嘌呤。
记 忆 口 诀：
氮五吡咯六吡啶； 间氮咪唑和嘧啶； 吲哚喹啉左并苯； 嘧咪相稠是嘌呤。
指出下列杂环化合物中，各含有哪些杂环 母核？
（1）
NH CH2
O
N
N
NN H
激动素（一种植物激素）
（2）
N C H3
N
Cl
+
CH2 N
2. 加成反应 （自学）
3.吡咯的特殊性质
（1） 吡咯的酸碱性 苯酚 吡咯 乙醇 氨
Ka 1.3×10-10 10-15
10-18
10-35
Na 或 K
N
或浓NaOH
H
N K+
+ CH3MgI
N H
+ CH4
N
MgI
吡咯可将格氏试剂分解，说明分子中有酸性氢。
3.吡咯的特殊性质 （2） 吡咯的偶联
1. 亲电取代反应
五元杂环的反应有两点需要注意： （1）呋喃、吡咯、噻吩对氧化剂都敏感， 遇到氧化剂时环都很容易被破坏。
（2）呋喃、吡咯、噻吩在酸性条件下能不同程 度发生质子化。吡咯在强酸作用下会发生聚 合生成吡咯红；呋喃在稀酸水溶液中质子 化发生在氧上，会导致开环反应发生。相对来说 噻吩对于酸比较稳定。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构 结构特点：
杂原子上的孤对电子，参与闭合的共轭体系。 π电子数为6，具有一定的芳香性，芳香性比 苯差。
芳香性： 苯> 噻吩 > 吡咯 > 呋喃 共振能： 150.6 121.3 87.8 66.9 （kJ·mol-1）
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
H
嘌呤
(purine)
89 1
7
2
6
3
5
N
10
4
吖啶
(acridine)
几个重要的含氮杂环化合物
吲4
4
4
3 (β ) 4 N 3 5
35
N3
间
哚
5
2 (α )
ห้องสมุดไป่ตู้N1
5
2
N1
喹 啉
吡H咯
H
咪唑
左 54
5 36
并6 苯7
2 N1
7 8
6
2
N
1
吡啶
6
2
N
1
嘧啶
4
3 2
N
1
6 1N 5 24
N
3
N7
8 N9
2.取代杂环的命名
有时，为了命名的方便，也将杂环作为取代 基，以官能团作为母体来命名。
2-呋喃甲醛(糠醛)
CHO
O
2-furan formaldehyde
COOH N
3-吡啶甲酸 3-pyridine formic acid
二、含一个杂原子的五元杂环化合物
（一）呋喃、噻吩和吡咯的结构与性质 1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构
（1）磺化反应
吡咯、呋喃不太稳定，磺化时直接使用质子酸会
发生聚合或开环，所以使用较温和的磺化剂：吡啶
与三氧化硫的加合物。
CH2Cl2 N + SO3
室温
N SO3
N SO3
N
100℃
H
N SO3
O
ClCH2CH2Cl r.t.days
HCl
SO3-
N
N
H
H
SO3H N H
HCl
SO3-
O
N
O
SO3H + N Cl
NH2
S C H2C H2O H
C H3
维生素 B1（硫胺素）
（1）含嘌呤环和呋喃环 （2）含嘧啶和噻唑环
2.取代杂环的命名(P.298)
编号的原则：对于单杂环，从杂原子开 始，用阿拉伯数字（或α、β、γ）表示； 若同一环上有多个杂原子，则按O、S、NH （仲氮）和N（叔氮）的顺序编号。
4
3β
5
2α
为什么吡咯分子的偶极矩与四氢吡咯 的方向相反？
N
N
H
H
2. 吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（1）亲电取代反应
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
137pm
143pm
-0.06 富有电子的大π键。电子离域的
-0.10 138pm N +0.32
结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相
第14章 杂环化合物
内容提要: 一、杂环化合物的定义、分类与 命名 二、五元单杂环化合物 三、六元单杂环化合物 四、稠杂环化合物
一、杂环化合物的定义、分类与命名
（一）定义
广义来讲，构成环的原子除了碳原子外，还含有一个 或多个非碳原子(杂原子)的化合物称为杂环化合物 。
常见的杂原子（hetero-atom）：N、O、S 。
O 1 CH3
2-甲基呋喃 （α -甲基呋喃） (2-methylfuran)
N S CH3
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
H3C N
N H
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
3. 稠杂环的命名
对于稠杂环则有固定的编号顺序，通常是从一端开始，
依次编号，公用的碳原子一般不编号，并尽可能使杂原
H
当于酚羟基），键长在一定程度
吡咯的电荷分布和键长 上发生平均化。
1. 亲电取代反应
α取代
+ E+ X
β取代
E XH
E H
X
E
X
H
E H
X
E
X
H
八隅体 结构最稳定
亲电取代反应发生在α-位时，反应活性中间体的 正电荷能够得到更有效地分散，体系能量较低反应 易于进行。所以：
五元杂环化合物的亲电取代反应主要发生在α-位
H3C N
N H
NH
N H
NH N H
H3C
H N
N
N
N H 咪唑 pKa(共轭酸) 7.4
N H 吡咯
0.4
P.314
互变异构
2.含咪唑环的氨基酸——组氨酸
N
N H
CH2CHCO O H
NH2
B-
R HN N
HA
组氨酸(histamine acid)
它是构成酶的活性中心的重要基团，具有独特的 化学性质。在生理环境中，它既能接受质子， 又能解离质子。尤其是它还具有在环的一端接 受质子，而在环的另一端给出质子的功能， 起到一种质子传递的作用。
（1930获诺奖）
（三）吡咯的重要衍生物 2.叶绿素
叶绿素是绿色植物进行光合作用所必须的催化剂。光 合作用的实质是绿色植物将太阳的光能转化成化学能 的过程。叶绿素由“现代有机合成之父”Woodward历 时4年经30多步反应，于1960年合成。(1965或诺奖)
稠杂环 苯环和杂环稠合、杂环和杂环稠合。
（二）杂环化合物的分类和命名
1.基本杂环结构
五
五元
一
元杂
4
3 (β ) 4
3(β ) 4
3 (β )
5
2 (α )
O1
5
2 (α )
S1
5
2 (α )
N1
H
呋喃
噻吩
吡咯
(furan) (thiophene) (pyrrole)
杂五
其中以吡啶和嘧啶最为重要
1.基本杂环结构 稠杂环（苯环与杂环稠合）
5 6
7 8
4
3 2
N
1
喹啉 (quinoline)
5 6
7 8
4 3
N2 1
异喹啉 (isoquinoline)
4 5
6 7
3 2 N1
H
吲哚 (indole)
1. 基本杂环结构
杂环与杂环的稠合：
6
1N 5 24
N
3
N7
8 N9
子的编号较小如喹啉、异喹啉和吲哚。值得注意的是嘌 呤，不仅公用碳参与编号，而且编号的顺序很特殊。
5 6
C H3
4 3
7 8
N2
1
C H3
11,,44--二二甲甲基基异异喹喹啉啉
NH2
6
1N
5
N7
4 2
8
N
N
3
9
H
6-氨基嘌呤
6-氨基（嘌腺呤嘌（呤腺）嘌呤，A）
(1,4-dimethylisoquinoline) (6-aminopurine, adenine)
元
环二
杂
4 N3
5
2
S1
噻唑
4
3
5 N2 N1
H
吡唑
4 N3
5
2
N1
H
咪唑
(thiazole) (pyrazole) (imidazole)
1. 基本杂环结构
六元杂环：
4
4
5
35
3
6
26
N2
N
N
1
1
4
4
4
5
N3 5 N 3 5
3
6
26
26
2
N
N
O
1
1
1
吡啶
哒嗪
嘧啶
吡嗪
吡喃
(pyridine) (pyridazine) (pyrimidine) (pyrazine) (pyran)
氮 咪 唑 和 嘧 啶
H
H
吲哚
喹啉
嘌呤
嘧（啶）咪（唑）稠合是嘌呤。
记 忆 口 诀：
氮五吡咯六吡啶； 间氮咪唑和嘧啶； 吲哚喹啉左并苯； 嘧咪相稠是嘌呤。
指出下列杂环化合物中，各含有哪些杂环 母核？
（1）
NH CH2
O
N
N
NN H
激动素（一种植物激素）
（2）
N C H3
N
Cl
+
CH2 N
2. 加成反应 （自学）
3.吡咯的特殊性质
（1） 吡咯的酸碱性 苯酚 吡咯 乙醇 氨
Ka 1.3×10-10 10-15
10-18
10-35
Na 或 K
N
或浓NaOH
H
N K+
+ CH3MgI
N H
+ CH4
N
MgI
吡咯可将格氏试剂分解，说明分子中有酸性氢。
3.吡咯的特殊性质 （2） 吡咯的偶联
1. 亲电取代反应
五元杂环的反应有两点需要注意： （1）呋喃、吡咯、噻吩对氧化剂都敏感， 遇到氧化剂时环都很容易被破坏。
（2）呋喃、吡咯、噻吩在酸性条件下能不同程 度发生质子化。吡咯在强酸作用下会发生聚 合生成吡咯红；呋喃在稀酸水溶液中质子 化发生在氧上，会导致开环反应发生。相对来说 噻吩对于酸比较稳定。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构 结构特点：
杂原子上的孤对电子，参与闭合的共轭体系。 π电子数为6，具有一定的芳香性，芳香性比 苯差。
芳香性： 苯> 噻吩 > 吡咯 > 呋喃 共振能： 150.6 121.3 87.8 66.9 （kJ·mol-1）
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
1. 吡咯、呋喃和噻吩的结构
H
嘌呤
(purine)
89 1
7
2
6
3
5
N
10
4
吖啶
(acridine)
几个重要的含氮杂环化合物
吲4
4
4
3 (β ) 4 N 3 5
35
N3
间
哚
5
2 (α )
ห้องสมุดไป่ตู้N1
5
2
N1
喹 啉
吡H咯
H
咪唑
左 54
5 36
并6 苯7
2 N1
7 8
6
2
N
1
吡啶
6
2
N
1
嘧啶
4
3 2
N
1
6 1N 5 24
N
3
N7
8 N9
2.取代杂环的命名
有时，为了命名的方便，也将杂环作为取代 基，以官能团作为母体来命名。
2-呋喃甲醛(糠醛)
CHO
O
2-furan formaldehyde
COOH N
3-吡啶甲酸 3-pyridine formic acid
二、含一个杂原子的五元杂环化合物
（一）呋喃、噻吩和吡咯的结构与性质 1. 呋喃、噻吩和吡咯的结构
（1）磺化反应
吡咯、呋喃不太稳定，磺化时直接使用质子酸会
发生聚合或开环，所以使用较温和的磺化剂：吡啶
与三氧化硫的加合物。
CH2Cl2 N + SO3
室温
N SO3
N SO3
N
100℃
H
N SO3
O
ClCH2CH2Cl r.t.days
HCl
SO3-
N
N
H
H
SO3H N H
HCl
SO3-
O
N
O
SO3H + N Cl
NH2
S C H2C H2O H
C H3
维生素 B1（硫胺素）
（1）含嘌呤环和呋喃环 （2）含嘧啶和噻唑环
2.取代杂环的命名(P.298)
编号的原则：对于单杂环，从杂原子开 始，用阿拉伯数字（或α、β、γ）表示； 若同一环上有多个杂原子，则按O、S、NH （仲氮）和N（叔氮）的顺序编号。
4
3β
5
2α
为什么吡咯分子的偶极矩与四氢吡咯 的方向相反？
N
N
H
H
2. 吡咯、呋喃和噻吩的化学性质
（1）亲电取代反应
亲电取代活性比苯大， 且α位比β位活泼。
137pm
143pm
-0.06 富有电子的大π键。电子离域的
-0.10 138pm N +0.32
结果，使得杂原子上的电子云密 度降低，环上各碳原子的电子云 密度升高（杂原子的活化作用相
第14章 杂环化合物
内容提要: 一、杂环化合物的定义、分类与 命名 二、五元单杂环化合物 三、六元单杂环化合物 四、稠杂环化合物
一、杂环化合物的定义、分类与命名
（一）定义
广义来讲，构成环的原子除了碳原子外，还含有一个 或多个非碳原子(杂原子)的化合物称为杂环化合物 。
常见的杂原子（hetero-atom）：N、O、S 。
O 1 CH3
2-甲基呋喃 （α -甲基呋喃） (2-methylfuran)
N S CH3
5-甲基噻唑 5-methylthiazole
H3C N
N H
4-甲基咪唑 4-methylimidazole
3. 稠杂环的命名
对于稠杂环则有固定的编号顺序，通常是从一端开始，
依次编号，公用的碳原子一般不编号，并尽可能使杂原
H
当于酚羟基），键长在一定程度
吡咯的电荷分布和键长 上发生平均化。
1. 亲电取代反应
α取代
+ E+ X
β取代
E XH
E H
X
E
X
H
E H
X
E
X
H
八隅体 结构最稳定
亲电取代反应发生在α-位时，反应活性中间体的 正电荷能够得到更有效地分散，体系能量较低反应 易于进行。所以：
五元杂环化合物的亲电取代反应主要发生在α-位
H3C N
N H
NH
N H
NH N H
H3C
H N
N
N
N H 咪唑 pKa(共轭酸) 7.4
N H 吡咯
0.4
P.314
互变异构
2.含咪唑环的氨基酸——组氨酸
N
N H
CH2CHCO O H
NH2
B-
R HN N
HA
组氨酸(histamine acid)
它是构成酶的活性中心的重要基团，具有独特的 化学性质。在生理环境中，它既能接受质子， 又能解离质子。尤其是它还具有在环的一端接 受质子，而在环的另一端给出质子的功能， 起到一种质子传递的作用。
（1930获诺奖）
（三）吡咯的重要衍生物 2.叶绿素
叶绿素是绿色植物进行光合作用所必须的催化剂。光 合作用的实质是绿色植物将太阳的光能转化成化学能 的过程。叶绿素由“现代有机合成之父”Woodward历 时4年经30多步反应，于1960年合成。(1965或诺奖)